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新方法有助于在地外海洋中寻找生命


一位艺术家描绘的无人潜水器通过假想中的表面裂缝潜入木卫二的海洋。图片来源:行星协会(the Planetary Society)Loren A.Roberts(CC BY3.0)
在寻找外星生命的过程中,最热门的地方是太阳系外的几个寒冷的卫星,这几个卫星都在冰冷的表面下藏有液态海洋,其中有土星的卫星土卫六,它在布满液态烃湖的冰冻表面下隐藏着一层厚厚的咸水。土卫六的姊妹土卫二在其南极附近的裂缝有喷出的喷泉状羽状物,这表明了地下海的存在。还有一颗离太阳更近的卫星也有羽状物存在:木星的木卫二。以体积计算的话,它的海水之多,足以使地球上所有海洋的总和都相形见绌。所有这些地外水域都可能是“第二起源”的所在地,就像数十亿年前地球上发生的同种生命的起源一样。
目前,天体生物学家正在进行多个星际任务,以了解这些存在海洋的卫星中是否不仅仅有水,即是否具有宜居性,有可能存在生命产生和繁衍所需的微妙的地球化学条件。例如,NASA装备齐全的“欧罗巴快船”(Europa Clipper)探测器可能在2030年前开始对木星神秘的卫星进行轨道探测。另一项任务是名为“蜻蜓”(Dragonfly)的核动力无人机探测器,它最早将在2036年降落在土卫六上。尽管这些任务令人印象深刻,它们只是未来对地外生命进行更直接的搜寻的前奏。但在那些奇异、没有阳光、与我们自己的世界如此不同的地方,天体生物学家看到生命时又如何认识它呢?

图片来源:pixabay
通常情况下,科学家在这种搜索中寻找的“生物征迹”(biosignatures)是生命过去或现在存在于行星的微妙的化学标志物,而不是像岩石上突出的化石或一个“小绿人”挥手致意这样明显的东西。例如,NASA的毅力号(Perseverance)火星探测器上的仪器可以探测到其着陆地点杰泽罗火山口(Jezero Crater)及其周围的有机化合物和盐类。杰泽罗火山口是一个干涸的湖床,它可能含有过去生命的证据。在2020年秋天,一些天文学家通过望远镜研究金星,可能已经发现那里存在磷化氢气体,这可能是漂浮在金星大气层温和区域的假定微生物的副产品。
问题是许多简单的生物信号既可以由生物产生,也可以通过非生物的地球化学过程产生。地球上的磷化氢大部分来自微生物,但金星上的磷化氢如果真的存在,它可能与喷发的火山有关,而不是与云层中的某些外星生态系统有关。这种模棱两可的说法可能导致假阳性结果,即科学家认为他们看到了生命,但实际上什么生命也没有。同时,如果生物体的生物化学和生理学与地球生物完全不同,科学家可能会遇到假阴性结果,即尽管有着生命存在的证据,但是科学家们认不出来。特别是在考虑在外太阳系的海洋卫星等明显的外星世界上的生命设想时,研究人员必须小心地在这两个相互关联的危险之间找到正确方法。
然而,发表在《数学生物学公报》(Bulletin of Mathematical Biology)上的一项研究提供了一种新的方法。论文作者说,通过将注意力从磷化氢等特定化学标志物转向到生物过程如何在整个生态系统中重组物质这一更广泛的问题上,天体生物学家可以找到新的、不那么模棱两可的生物征迹。即使生命的生物化学过程与地球上的截然不同,这些线索将适合于发现无数种可能形式的生命。
估量巨变
这项研究依赖于化学计量法,它测量细胞和生态系统化学中出现的元素比率。研究人员首先观察到,在一组细胞中,化学物质的比例有着惊人的规律性。这种规律性的典型例子是雷德菲尔德化学计量比(Redfield ratio),即16:1的氮磷平均比例,该计量比在地球海洋的浮游植物水华中表现出显著的一致性。其他种类的细胞,如某些类型的细菌,也表现出它们自己特有的一致比率。如果说细胞内化学比率的规律性是生物系统的普遍特性,那么仔细的化学计量可能是最终在外星世界发现生命的关键。
然而,重要的是,这些元素的比例会随着细胞的大小而变化,这使得我们可以对另一个世界上任何奇怪的一致但可能是非生物的化学比例进行额外的检查。例如,在细菌中,随着细胞变大,蛋白质分子的浓度降低,而核酸的浓度增加。圣菲研究所(Santa Fe Institute)的研究人员克里斯·肯佩斯(Chris Kempes)解释说,与一组无生命的粒子相比,生物粒子将显示出“随细胞大小而系统变化的比率”。克里斯·肯佩斯领导了这项新的研究,该研究扩展了合著者西蒙·莱文(Simon Levin)之前的工作,他也是圣菲研究所的研究员。诀窍是设计出一个关于不同大小的细胞如何影响元素丰度的一般理论,这正是肯佩斯、莱文和他们的同事所做的。
他们关注的是这样一个事实:至少对地球生命来说,当流体中的细胞尺寸增大时,它们的丰度就会以数学模式的方式减少——具体来说,就是幂律,即其速率可以用负指数来表示。这表明,如果天体生物学家知道流体中细胞(或细胞样粒子)的大小分布,他们就可以预测这些物质中的元素丰度。从本质上说,这可能是一种有效的方法,可以用来确定一组未知粒子(比如说在一个木卫二海水样本中)是否藏有任何活着的东西。”如果我们观察到这样一个系统,在这个系统中,粒子的元素比例和大小之间存在着系统性的关系,而周围的流体并不包含这些比率,”肯佩斯解释说,“我们就有一个强烈的信号,表明该生态系统可能包含生命。”
试水
这项研究对这种“生态生物征迹”的重视,是一项缓慢酝酿、长达数十年的探索的最新成果,该探索不仅将生命与物理和化学的基本限制联系起来,还与生命出现的特定环境联系起来。毕竟,假设一颗温暖的岩石行星上的受日光照射的表面上的生物与那些居住在海洋卫星幽暗的深处的生物具有相同的化学生物征迹,未免有些天真。NASA首席科学家吉姆·格林(Jim Green)解释说:“思想、方法都在不断发展,这一点非常重要。现在,我们正进入一个时代,在这个时代里,我们可以追求我们所知道的关于生命如何进化的知识,并将其作为一项普遍原则加以应用。”吉姆·格林没有参与到这项新研究中。

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那么,怎样才能将这种更全面的生物征迹研究方法应用到我们对木卫二、土卫六和土卫二等星球的研究中呢?格林解释说,在当下,该应用需要的时间比航天局的“欧罗巴快船”轨道探测器还多,或许等到在地面执行后续任务就足够了。他说:“借助欧罗巴快船,我们希望进行更详细的测量,飞越羽状物,研究木卫二在一段时间内的演变,并拍摄高分辨率图像。这将把我们带到下一步,那就是落地。这就是下一代思想和工具需要出现的地方。”
要寻找肯佩斯和他的同事所描述的生态生物征迹,就需要仪器来测量细胞在原生液体中的大小分布和化学成分。在地球上,科学家用来按大小对细胞进行分类的技术被称为流式细胞术,该技术常被用于海洋环境。但是,在地外卫星的次表层海洋中进行流式细胞术远比仅仅将仪器送到那里更具挑战性:由于在缺乏阳光的深渊中缺少可用的能量,科学家们预计那里的任何生命都是单细胞的,非常小,而且相对稀少。要首先捕获这种生物,就需要仔细过滤,再用一个精密的流式细胞仪来测量这种颗粒的大小。
中康涅狄格州立大学(Central Connecticut State University)的生物化学家和天体生物学家萨拉·毛勒(Sarah Maurer)解释说,我们目前的流式细胞仪无法胜任这项工作。萨拉·毛勒没有参与这项研究。她说,许多种类的细胞根本无法被提取,“有些细胞类型需要大量的准备,否则就无法通过细胞仪检测。”。为了在太空中工作,过滤和分类细胞的仪器将需要在地球上进行改进,以及为适应太空飞行而进行小型化改造。
这项研究的合著者、来自NASA资助的不可知论生物征迹实验室(Laboratory for Agnostic Biosignatures)和NASA的戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的海瑟·格拉汉姆(Heather Graham)说,这两方面的研究已经取得了进展。她说,下一步将是在全球范围内勉强宜居的野外地点部署新的工具,这些地点承载着地球上一些最极端、最贫瘠的生态系统。一旦天体生物学家开始例行地辨别出与我们星球静止水域中的生物生态系统相关的独特化学比率,他们就可以微调能够进行太空飞行的设备的规格。也许,最终天体生物学家会发现写在地下海洋化学的数学比率中的第二起源。
撰文:纳塔莉·埃利奥特(Natalie Elliot),一位写作生命起源、天体生物学、科学史主题的科学作家。她在圣约翰学院(St.John's College)教授古典文学和科学史。
翻译:江群峰
审校:潘燕婷
引进来源:科学美国人
本文来自:中国数字科技馆
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